книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России
..pdfном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа.
Рассматриваемые сплавы наряду с повышенной прочностью сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении.
Среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений. Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.
Сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), сварных деталей
иузлов, штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20)
идр. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до
400 °С и кратковременно – до 750 °С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 – длительно работают при температурах до 450–500 °С и кратковременно – до 800–850 °С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С
81
также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике.
Высокопрочные титановые сплавы. К этой группе отно-
сятся сплавы с пределом прочности σв > 1000 МПа, а именно (α+β)-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет σв > 1000 МПа.
Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (σв ≥ 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями.
Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.
Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.
Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.
82
Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С,
ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению. Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения – на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 – до 60 мм.
Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (α+β)-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения».
Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна β-фазы при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку – снижению прочности
ипластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (α+β)- сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.
Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой
ирегистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.
Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой
ирегистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.
Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные узлы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные
83
конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 °С и кратковременно – до 750 °С.
Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала – их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т.п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.
Литейные титановые сплавы. Для фасонного литья применяют технический титан и титановые сплавы ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТЗ-1Л, которые по химическому составу почти совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами. В литейных сплавах допускается большее содержание примесей. Механические свойства литейных сплавов ниже, чем деформируемых.
Сплавы на основе титана имеют хорошие литейные свойства. Небольшое значение температурного интервала кристаллизации обеспечивает им хорошую жидкотекучесть и достаточно высокую плотность отливок. Сплавы титана обладают незначительной склонностью к образованию горячих трещин и малой линейной усадкой (2–3 %).
Недостатками титановых литейных сплавов являются: склонность расплавленного титана к быстрому поглощению газов, содержащихся в атмосфере; высокая активность при взаимодействии со всеми известными формовочными и огнеупорными материалами. В связи с этим плавка и разливка сплавов ведется в вакууме, а формы изготавливают из графита, корунда или магнезита – материалов, минимально взаимодействующих с расплавленным металлом. Наиболее широко для фасонного литья используется α-сплав ВТ5Л. Он имеет хорошие литейные свойства, отличается простотой химического состава, удовлетворительной пластичностью и ударной вязкостью отливок. Литейные дефекты сплава хорошо завариваются
84
аргонно-дуговой сваркой. Недостаток сплава – невысокая прочность отливок (700 МПа). Сплав применяется без термической обработки (отжига) и используется для изготовления отливок, длительно работающих при температурах до 400 °С.
Наиболее прочен промышленный литейный сплав ВТЗ-1Л. Микроструктура его в литом состоянии представляет собой смесь α- и β-фаз. Литейные свойства и пластичность сплава ниже, чем у α-сплава ВТ5Л. Для стабилизации структуры отливки отжигают при 650 °С в течение 1–2 ч. Сплав обладает высокой жаропрочностью, отливки из него могут длительно работать при температурах до 450 °С. Прочность литого сплава приближается к прочности деформируемого, однако предел выносливости в литом состоянии ниже, чем в деформируемом. Отливки также менее пластичны по сравнению с деформированными полуфабрикатами из того же сплава. Сплав ВТ9Л – литейный вариант жаропрочного сплава ВТ9. Он предназначен для работы при температурах до 560 °С.
Применение титана и его сплавов. Титан и его сплавы благодаря высокой удельной прочности и хорошей сопротивляемости коррозии используются в самых различных отраслях промышленности.
Широкое применение сплавы титана нашли в авиа- и ракетостроении. В конструкциях самолетов из сплавов титана делают панели (в том числе сотовые), лонжероны, шпангоуты, рули поворота, детали шасси, монорельсы, топливные баки, крепежные детали и т.п. Из сплавов титана изготавливают также обшивку фюзеляжа и крыльев сверхзвуковых самолетов. В конструкциях авиационных реактивных двигателей сплавы титана применяются для изготовления деталей воздухосборника и направляющего аппарата, корпуса, дисков и лопаток компрессора и т.д.
В ракетной технике из титановых сплавов делают корпусы двигателей, баллоны и шаробаллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и т.д. Титан и его сплавы являются перспективным
85
материалом для объектов, монтируемых непосредственно в космическом пространстве.
Широкое применение титан и его сплавы нашли в химической промышленности (теплообменники, выпарительные аппараты, реакторы для агрессивных сред, разделительные колонны, насосы, емкости, трубопроводы для агрессивных жидкостей, опреснительные установки и т.д.) и в цветной металлургии (насосы по перекачке агрессивных сред, трубопроводы, вентиляционные трубы для выброса агрессивных газов, запорная арматура на трубопроводах по перекачке агрессивных растворов, автоклавы, теплообменники для агрессивных растворов и пара, холодильники и другое оборудование на предприятиях никель-кобальтовой и титано-магниевой промышленности, а также в производстве меди, цинка, свинца, ртути и других металлов).
Титан и его сплавы применяются в пищевой промышленности (аппаратура для переработки пищевых продуктов, варочные котлы, холодильники, бочкотара, резервуары для органических кислот и ряда пищевых сред – рассолов, маринадов и др.).
Титан и его сплавы используются в судостроении (обшивка корпуса и подводных крыльев морских и речных судов, гребные винты, насосы, детали морских гидротурбинных двигателей и др.); в энергомашиностроении (диски и лопатки турбин и мощных компрессоров); в нефтяной промышленности (трубы, теплообменники и другие узлы плавучих платформ, облицовка стальных эстакад на морских нефтепромыслах и т.д.); в радиоэлектронике и вакуумной технике (газопоглотители, детали электронно-вакуумных приборов, конденсаторы, металлокерамические лампы); в медицинской промышленности (аппаратура для изготовления медикаментов; внутренние протезы, хирургические инструменты).
Титан и его сплавы применяются также в криогенной технике, приборостроении. Титан используется для приготовления
86
титановых белил; в качестве легирующего элемента в цветной
ичерной металлургии. Карбид титана входит в состав спеченных твердых сплавов. Более широкое применение титана и его сплавов в промышленности сдерживается пока их относительно высокой стоимостью.
2.5.Алюминий и его сплавы
Вмировой промышленности алюминиевые сплавы характеризуются наибольшим объемом производства среди цветных металлов и уступают только стали. Практически нет ни одной отрасли, в которой не использовались бы алюминиевые сплавы. Алюминий и алюминиевые сплавы – первые конструкционные металлы, которые были использованы в самолетостроении. Свое значение в самолетостроении алюминий сохраняет
исейчас. Алюминиевые сплавы также применяют в строительных конструкциях, судостроении, железнодорожном и автотранспорте, электротехнике и т.д. В химическом машиностроении алюминиевые сплавы используют для изготовления хранилищ жидких газов (кислорода, азота природного и др.), ректификационных колонн и трубопроводов.
Алюминий
Алюминий – химический элемент III группы Периодической системы элементов. Серебристо-белый металл, при обычных условиях покрытый тонкой оксидной пленкой. Во всех устойчивых соединениях алюминий трехвалентен, но при высоких температурах может быть одновалентен.
По распространенности в природе алюминий занимает первое место среди металлов. Его содержание в земной коре составляет около 8 %. В свободном состоянии в природе не встречается из-за высокой химической активности. Наиболее ценной алюминиевой рудой являются бокситы, где содержится около 50 % Al2O3. Производство алюминия заключается
87
в получении Al2O3 из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированным способами, а затем проводится электролиз Al2O3 на получение первичного металла. Производство энергоемкое, до 30 % стоимости алюминия составляет электроэнергия, поэтому производства располагают вблизи мощных электростанций.
Алюминий обладает гранецентрированной кубической решеткой; низкой плотностью γ = 2,7 г/см3; низкой температу-
рой плавления |
Tпл = 660 °С; |
высокой |
теплопроводностью |
|
λ = 0,57 кал/см·сек·град; высокой электропроводностью, |
со- |
|||
ставляющей 65 % электрической проводимости меди. |
|
|||
Отожженный |
алюминий |
высокой |
чистоты имеет |
σв = |
= 60 МПа; δ = 40 %; 25 НВ. После холодной прокатки механические свойства меняются: σв = 180–240 МПа; δ = 3–5 %; 45–60 НВ.
Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью на воздухе и в кислых средах за счет образования на поверхности оксидной пленки Al2O3. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.
Алюминий хорошо обрабатывается давлением в горячем и холодном состояниях, но плохо обрабатывается резанием, хорошо сваривается.
В зависимости от способа получения и химического состава различают: алюминий особой чистоты, алюминий высокой чистоты и алюминий технической чистоты.
Алюминий особой чистоты марки А999 содержит менее 0,001% примесей. Получают его зонной плавкой и применяют для научно-исследовательских целей и в полупроводниковой и ядерной технике.
Алюминий высокой чистоты марок А995, А99, А97, А95 содержит от 0,005–0,05 % примесей. Используют при производстве электрических конденсаторов и другой аппаратуры.
Алюминий технической чистоты марок А85, А8, А7, А6, А5 и других содержит от 0,15–1,00 % примесей. Применяют
88
для изготовления фольги, токопроводящих изделий и получения алюминиевых сплавов. Технический алюминий, поступающий в виде листов, профилей, прутков и других полуфабрикатов, маркируется АД и АД1.
Как конструкционный материал алюминий применять нецелесообразно из-за низкой прочности, а вот сплавы на основе алюминия обладают необходимыми механическими свойствами.
Сплавы на основе алюминия
В качестве основных легирующих элементов при производстве алюминиевых сплавов используют Cu, Mn, Mg, Si, Zn и др.
Большинство легирующих элементов образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и интерметаллидные фазы с алюминием и между собой (CuAl2, Mg2Si, Al3Mg2 и др.).
Все алюминиевые сплавы можно разделить на три группы: 1) деформируемые сплавы, предназначенные для получения полуфабрикатов прокаткой и волочением или ковкой
иштамповкой;
2)литейные сплавы, предназначенные для получения изделий методом фасонного литья;
3)сплавы, получаемые методом порошковой металлургии (САП – спеченные алюминиевые порошки, САС – спеченные алюминиевые сплавы).
В зависимости от способности сплавов упрочняться
впроцессе термической обработки их подразделяют:
•на упрочняемые термической обработкой;
•не упрочняемые термической обработкой.
89
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой
К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или магнием. Структура этих сплавов после медленного охлаждения включает только твердый раствор марганца или магния в алюминии. Никаких структурных изменений в этих сплавах при нагревании и охлаждении не происходит, поэтому применение термической обработки с целью повышения прочности невозможно. Упрочнение этих сплавов возможно только за счет холодной пластической деформации, т.е. наклепа.
Маркируются эти сплавы буквами АМц (алюминий с марганцем) или АМг (алюминий с магнием), а цифра, стоящая после буквы легирующего элемента, показывает среднее его содержание в целых долях процента. Если же цифра отсутствует, то содержание легирующих элементов менее 1,5 %. Например: АМг2 содержит 2 % Mg, остальное – алюминий.
Химический состав и механические свойства некоторых марок этих сплавов представлены в табл. 14.
Таблица 14
Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой
Марка |
Химический состав, % |
Механические свойства * |
|||||
Al |
Mn |
Mg |
σв, МПа |
σ0,2, МПа |
δ, % |
||
|
|||||||
АМц |
основа |
1,0–1,6 |
– |
130(170) |
50(130) |
23(10) |
|
АМг2 |
основа |
0,2–0,6 |
1,8–2,8 |
200(250) |
100(200) |
23(10) |
|
АМг3 |
основа |
0,3–0,6 |
3,2–3,8 |
220 |
110 |
20 |
|
АМг5 |
основа |
0,3–0,6 |
4,8–5,8 |
300 |
150 |
20 |
|
АМг6 |
основа |
0,5–0,8 |
5,8–6,8 |
340(400) |
170(300) |
18(10) |
* Без скобок приведены свойства сплавов в отожженном состоянии, а в скобках – в полунагартованном состоянии.
90